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非金属3D打印材料选择指南:类型、应用及性能
2023-12-15
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3D打印可帮助用户快速经济地制造各种应用所需的原型和部件。 但选择合适的3D打印工艺只是其中的一个方面。 最终能否制成具有所需机械性能、功能特性或外观的部件,很大程度上取决于所用的材料。


本3D打印材料综合指南介绍了最热门的非金属3D打印材料、比较这些材料的特性和应用,并提供了可用于为项目挑选合适材料的准则。


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塑料3D打印材料和工艺


可用于3D打印的塑料材料有数十种之多,每种材料都有其独一无二的特性,适用于特定的使用情况。 为简化寻找最适合给定部件或产品的材料的过程,我们首先需要了解主要的塑料类型和不同的3D打印工艺。


塑料材料类型


塑料主要分为两大类型:


1、热塑性塑料是最常用的塑料类型。 相比于热固性塑料,其最大的不同是能够经受无数次熔化和凝固循环。 热塑性塑料在加热后会熔化,从而可制成所需的形状。 该过程中没有发生化学键合,因此属于可逆过程,这使得热塑性塑料的回收、熔化和再利用成为可能。 人们常常将热塑性塑料比作黄油,是一种可以反复熔化凝固的材料。 但每进行一次熔化循环,材料的属性都会稍有变化。


2、热固性塑料在固化后将永久保持固态。 热固性材料中的聚合物在由热、光或适当辐射引发的固化过程中会发生交联反应。 所以该材料在加热时会发生分解而不是熔化,并且冷却后不会再变形。 从而无法回收或恢复为基本成分。 热固性材料就像蛋糕面糊,一旦烘焙成蛋糕,便无法再融化成面糊。


塑料 3D 打印工艺


目前最成熟的塑料 3D 打印工艺有以下三种:


1、熔融沉积成型 (FDM) 3D 打印机会在熔化热塑性长丝后将其挤出,随后打印机喷嘴将热塑性长丝逐层沉积在成型区域。

2、立体光固化 (SLA) 3D 打印机使用激光将液态热固性树脂固化成硬化塑料,这一过程称为光聚合。

3、选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印机使用高功率激光来熔合小颗粒的热塑性塑料粉末。


FDM 3D 打印技术


熔融沉积成型 (FDM) 也称熔丝制造 (FFF),是消费者群体中使用最广泛的 3D 打印形式,FDM在熔化后的长丝形成每一层时,有时各层之间无法充分粘合,从而出现空隙。 这会导致部件出现各向异性,所以在设计需要承受载荷或抗拉的部件时,必须考虑这一点。


消费级 FDM 适用于基本的概念验证模型,以及快速且低成本的简单部件原型制造,例如通常来说需要加工的部件。


与其他塑料 3D 打印工艺相比,消费级 FDM 的分辨率和精度最低,因此并不适用于打印复杂设计或具有精细特征的部件。 通过化学和机械抛光等后处理工艺可提高表面处理质量。


工业FDM 3D 打印机使用可溶性支撑来缓解其中一些问题,并提供更丰富的工程热塑性塑料或复合材料。


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FDM 3D 打印热门材料


最常用的 FDM 3D 打印材料是 ABS、PLA 及其各种混合物。 更先进的工业级FDM 3D打印机还可以使用其他具有更出色的刚性、耐热性、抗冲击性、阻燃、防静电、耐化学腐蚀、生物相容性等特性的专用材料进行打印。


材料

特性

应用

ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)

坚固耐用
耐热性和抗冲击性
需要加热打印床
需要通风

功能性原型、最终用途部件

PLA(聚乳酸)

最简单易用的 FDM 打印材料
刚硬、坚固,但易碎
耐热性和耐化学腐蚀性较差
可生物降解
无味

概念模型
外观性原型

PETG(聚对苯二甲酸乙二醇酯)

兼容更低的打印温度,可实现快速生产
防潮性和耐化学腐蚀性
高透明度
食品安全级材料

防水应用
卡扣组件

尼龙

坚固、耐用、轻便
坚固且具有一定柔韧性
耐热性和抗冲击性
FDM 打印过程较为复杂

功能性原型

耐磨部件
最终用途部件
小批量定制成品件

TPU(热塑性聚氨酯)

柔韧、可伸缩
抗冲击性
减振性能出色

柔性原型

PVA(聚乙烯醇)

可溶性支撑材料
可溶于水

支撑材料

HIPS(高抗冲击级聚苯乙烯)

ABS 最常用的可溶性支撑材料
可溶于柠檬烯试剂

支撑材料

复合材料(碳纤维、凯夫拉和玻璃纤维)

刚硬、坚固或极其强韧
仅兼容部分高端工业级FDM 3D 打印机

功能性原型

夹具、固定装置和工具
最终用途部件

PEI 聚醚酰亚胺(ULTEM9098、ULTEM1010)

高强度高刚性
耐高温
V0级阻燃
生物相容性、食品级

航空FST认证

功能性原型
航空航天、军工最终用途部件
手术导板
小批量定制成品件

PAEK 聚芳醚酮(PEKK、PEEK)

高耐热性,耐化学腐蚀性

V0级阻燃

功能性原型

航空航天、汽车、军工最终用途部件
小批量定制成品件


SLA 3D 打印技术


SLA光固化是世界上首款3D打印技术,诞生于 20 世纪 80 年代,至今仍是最受专业人士欢迎的技术之一。


与其他所有塑料3D打印技术打印的部件相比,SLA 打印部件具有最高的分辨率和精度、最清晰的细节和最高的表面光洁度。 对于要求严格公差和光滑表面的高度精细的原型(如模具、模型和功能性部件)来说,树脂3D打印是理想的选择。 还可以对 SLA 打印部件进行高度抛光和/或上漆,为客户提供具有高精细度的现成部件。


使用SLA 3D打印技术的打印部件通常具有各向同性,由于各层之间形成了化学键,部件在任何方向上的强度都会或多或少保持一致。 因此,打印出的部件具有可预测的机械性能,这对于夹具和固定装置、成品部件和功能原型等应用至关重要。


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SLA 3D打印的打印材料范围非常广


SLA 3D打印热门材料

SLA 3D 打印用途极多,其树脂配方具有广泛的光学、机械和热性能,可匹配标准、工程和工业热塑性塑料。


Formlabs材料

特性

应用

标准树脂

高分辨率
光滑、哑光的表面光洁度

概念模型
外观原型

透明树脂

唯一真正透明的材料,抛光至接近光学透明

需要光学透明度

的零件
微流控件

草稿树脂

最快的3D打印材料之一,比标准树脂快 4 倍,比 FDM 快 10 倍

初始原型
快速迭代

高韧树脂Tough Resin 和 刚性树脂Durable Resin

坚固、坚固、实用和动态的材料
可以承受压缩、拉伸、弯曲和冲击而不会断裂
具有与ABS或PE性能相似的各种材料

外壳和外壳
夹具和固定装置
连接器
磨损原型

硬质树脂

高填充、坚固、坚硬的材料,可抵抗弯曲
耐热和耐化学腐蚀
负载下尺寸稳定

夹具、固定装置和工具
涡轮机和风扇叶片
流体和气流组件
电气外壳和汽车外壳

聚氨酯树脂

优异的长期耐久性
紫外线、温度和湿度稳定
阻燃性、灭菌性、耐化学性和耐磨性

高性能汽车、航空航天和机械部件 

坚固耐用的最终用途部件

坚固耐用的功能原型

高温树脂

耐高温,高精度

热空气、气体和流体流动
耐热支架、外壳和固定装置
模具和嵌件

柔性和弹性树脂

橡胶、TPU或硅胶的柔韧性

可承受弯曲、弯曲和压缩

可承受重复循环而不会撕裂

消费品原型设计
机器人的合规功能
医疗器械和解剖模型 特效道具和模型

医用和牙科树脂

用于生产医疗和牙科器械的各种生物相容性树脂

牙科和医疗器械,包括手术导板、假牙和假肢

珠宝树脂

熔模铸造和硫化橡胶成型材料
易于铸造,具有复杂的细节和强大的形状保持性

试穿件
可重复使用模具的大师
定制珠宝

ESD树脂

防静电,可改善电子制造工作流程

电子制造

模具和夹具
防静电原型和最终用途组件

处理和存储的定制托盘

陶瓷树脂

石材般的饰面
可以烧制成全陶瓷作品

工程研究
艺术和设计作品


SLS 3D 打印技术


选择性激光烧结 (SLS) 3D打印技术因其能够生产坚固的功能性部件,受到不同行业工程师和制造商的信赖。 低单件成本、高生产力和成熟的材料使该技术成为从快速原型制造到小批量、过渡式或定制制造等一系列应用的理想选择。


由于未熔合的粉末在打印过程中可以支撑部件,所以不需要专门的支撑结构。 这使得SLS适用于构造内部特征、倒凹、薄壁和凹入特征等复杂几何形状。


与SLA部件一样,SLS部件的各向同性通常优于FDM部件。 由于打印材料为颗粒状粉末,SLS部件的表面略粗糙,但几乎没有明显的层纹。


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SLS 3D 打印材料是从工程消费品到生产制造和医疗保健等一系列功能性应用的理想选择


SLS 3D 打印热门材料


与 FDM 和 SLA 相比,SLS 的材料选择范围较为受限,但可用的材料具有优异的机械性能,强度可与注射成型部件媲美。 选择性激光烧结最常用的材料是尼龙,广受用户欢迎,是一种具有优异机械性能的工程热塑性塑料。 尼龙重量轻、强度高、柔韧性好,而且耐冲击、耐化学腐蚀、耐高温、抗紫外线、防水、防尘。


材料

特性

应用

尼龙12粉末(Nylon 12 Powder)

牢固、坚硬、结实且耐用
具备抗冲击能力,可以承受反复的磨损
抗紫外线、耐光、耐热、防潮、耐溶剂腐蚀、耐高温且防水

功能性原型制造
成品部件
医疗器械

尼龙11粉末(Nylon 11 Powder)

性能类似于 Nylon 12 Powder,具有更高的弹性、断裂伸长率和抗冲击性,但刚度更低

功能性原型制造
成品部件
医疗器械

聚氨酯(TPU)

柔韧有弹性,类似橡胶
变形后可复原
抗紫外线性高
减震能力出色

功能性原型制造
类橡胶的柔性成品部件
医疗器械

尼龙复合材料(Nylon12GF、Nylon11CF)

通过添加玻璃纤维、铝或碳纤维而强化的尼龙材料,具备更高的强度和刚度

功能性原型制造
结构性成品部件


挑选合适3D打印材料的准则


面对多种多样的材料和3D打印选项,如何才能做出正确的选择?


下面的三步准则可用于为您的应用挑选合适的 3D 打印材料。

第 1 步:确定性能需求


3D打印所使用的塑料具有不同的化学、光学、机械和热特性,这些特性决定了3D打印部件的性能。 随着预期用途逐步接近实际使用情况,性能要求也会相应增加。


要求

说明

建议

低性能

对于形状及拟合原型制造、概念建模和研发,打印部件只需满足较低的技术性能要求。

示例:用于人体工程学测试的汤勺形状原型。除表面光洁度外,无其他功能性要求。

FDM:PLA
SLA:标准树脂、Clear Resin(透明部件)、Draft Resin(快速打印)

中等性能

用于验证或预生产的打印部件在性能上必须尽可能贴近最终生产部件,以便进行功能测试,但没有严格的使用寿命要求。

示例:用于抵御意外冲击的电子元件外壳。性能要求包括能够吸收冲击、严密贴合并保持形状不变。

FDM:ABS、PC+ABS、尼龙
SLA:工程树脂
SLS:Nylon 11 Powder、Nylon 12 Powder、TPU

高性能

3D 打印成品部件必须能够在特定时间段内承受极严重的磨损,可能是一天、一周或是数年。

示例:鞋底。性能要求包括可通过严格的循环装卸使用寿命测试、具备多年的色牢度以及抗撕裂性等。

FDM:复合材料、PEI、PEKK
SLA:工程、牙科、医疗或珠宝树脂 SLS:Nylon 11 Powder、Nylon 12 Powder、TPU、尼龙复合材料


第 2 步:将性能要求转化为材料要求


确定产品的性能要求后,下一步就是将其转化为材料要求,即满足这些性能要求所需的材料属性。这些指标通常位于材料数据表中。


性能要求

说明

建议

拉伸强度

拉伸强度是指材料在承受拉力时的抗断裂能力。较高的拉伸强度对于结构性部件、承重部件、机械部件或静态部件非常重要。

FDM:PLA
SLA:Clear Resin、Rigid Resin
SLS:Nylon 12 Powder、尼龙复合材料

弯曲模量

弯曲模量是指材料在载荷下的抗弯曲能力,是区分刚性材料(高模量)和柔性材料(低模量)的良好指标。

FDM:PLA(高)、ABS(中)
SLA:Rigid Resin(高)、Tough Resin 和 Durable Resin(中)、Flexible Resin 和 Elastic Resin(低)
SLS:尼龙复合材料(高)、Nylon 12 Powder(中)

断裂伸长率

伸长率是指材料在受到拉伸时的抗断裂能力,可帮助用户根据拉伸程度比较不同的弹性材料,还能够指示材料是先变形还是突然断裂。

FDM: ABS(中), TPU (high)
SLA: Tough and Durable Resins (中), Polyurethane Resins(中), Flexible and Elastic Resins (高)
SLS: Nylon 12 (中), Nylon 11 (中), TPU(高)

冲击强度

冲击强度是指材料在吸收冲击和冲击能量的同时不发生断裂的能力。反映材料的韧性和耐用性,帮助用户了解材料掉落在地面或撞到其他物体时容易断裂的程度。

FDM:ABS(中)、聚氨酯(高)
SLA:Rigid Resin(高)、Tough Resin 和 Durable Resin(中)、Flexible Resin 和 Elastic Resin(高)
SLS:Nylon 12 Powder(中)、Nylon 11 Powder(中)、聚氨酯(高)

热变形温度

热变形温度是指样品在指定载荷下发生变形时的温度,用于指示材料是否适用于高温应用。

SLA:High Temp Resin、Rigid Resin
SLS:Nylon 12 Powder、尼龙复合材料

硬度

硬度是指材料抗表面形变的能力,可帮助用户确定软塑料的“柔软度”,如用于某些应用的橡胶和弹性体。

FDM:聚氨酯
SLA:Flexible Resin、Elastic Resin
SLS:聚氨酯

抗撕裂温度

抗撕裂强度是指材料在承受拉力时抗裂缝延伸的能力,对于评估软塑料和柔性材料(如橡胶)的耐久性和抗撕裂性十分重要。

FDM:聚氨酯
SLA:Flexible Resin、Elastic Resin 、Durable Resin
SLS:Nylon 11 Powder、聚氨酯

蠕变性

蠕变是指材料在持续应力(拉伸、压缩、剪切或弯曲)下发生永久变形的趋势。蠕变越低,说明硬塑料的使用寿命越长,这一特性对于结构性部件至关重要。

FDM:ABS
SLA:Rigid Resin
SLS:Nylon 12 Powder、尼龙复合材料

压缩形变

压缩形变是指材料受到压缩后发生永久变形的趋势,对于软塑料和弹性应用非常重要,能够表明在去除载荷后材料是否会恢复原始形状。

FDM:聚氨酯
SLA:Flexible Resin、Elastic Resin
SLS:聚氨酯


第 3 步:做出选择


将性能要求转化为材料要求后,就可以轻松找到一种或一系列适合您应用的材料。

 

如果有多种材料都能满足您的基本要求,则可以扩大所需特性的范围,并根据给定材料和工艺的优缺点权衡利弊,最终做出合适的选择。


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